DE3401054C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein monolithisches Feuerfestmaterial gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Feuerfestmaterialien sind nicht-metallische Stoffe, die gebraucht werden, um hohen Temperaturen standzuhalten. Im besonderen sind dieses Materialien, die für die Auskleidung von Hoch-Temperatur-Stahl-Öfen und Glasöfen benutzt werden. Die meisten Feuerfestmaterialien werden als vorgeformte Formstücke, einschließlich Steine, die durch Gießen oder Pressen geformt wurden, geliefert. Jedoch werden nicht alle Feuerfestmaterialien als Formstücke geliefert. Einige Feuerfestmaterialien, die als feuerfeste Monolithe bezeichnet werden, werden in Form von einzelnen Partikeln geliefert. Diese Feuerfestmaterialien werden gestampft, gegossen, gepreßt oder vor Ort dick aufgetragen, um eine verbundene Ausmauerung zu bilden, die als Ergebnis monolithisch ist. Monolithische Stampfmassen, die aus Partikeln von feuerfestem Material bestehen, werden gewöhnlich mit ungefähr 3% Wasser gemischt und besitzen Eigenschaften, die ein Stampfen oder Festtreten an Ort und Stelle erlauben.

Monolithische Gießmassen (Formmassen) sind den Stampfmassen ähnlich, aber sie werden normalerweise mit mehr Wasser gemischt und besitzen Eigenschaften, die es ermöglichen sie zu gießen, gewöhnlich durch Vibrationen. Gieß- und Stampfmassen enthalten typischerweise einen feuerfesten Kitt oder ein feuerfestes Bindemittel. Das Bindemittel muß Ausfüllungen in den Stampf- und Gießmassen mit genügender Festigkeit schaffen, damit diese den in einem speziellen Ofen auftretenden Konditionen standhalten können. Oftmals wirkt ein Bindemittel nur temporär, und seine Bindung wird bei erhöhten Temperaturen durch eine Keramikbindung, die durch das Sintern und die Zusammenballung der Partikel, einschließlich der monolithischen Ausfüllung, entsteht, ersetzt. Auf der anderen Seite kann das Bindemittel ein Teil der keramischen Bindung werden, die bei hohen Temperaturen gebildet wird. Monolithische Stampfmassen sind aus Partikeln bestehende Feuerfestmassen, die pneumatisch an der Stelle, die ausgekleidet oder ausgebessert werden soll, zusammengepreßt werden. Sie werden entweder mit Wasser gemischt, bevor sie in der pneumatischen Presse angeordnet werden, oder sie werden an der Düse der Presse gemischt. Die gepreßten Massen enthalten gewöhnlich ein schnell härtendes Bindemittel, welches die gepreßte Auskleidung oder den ausgebesserten Teil an der Stelle festhält, wo er angebracht wurde.

Bei dem monolithischen Feuerfestmaterial handelt es sich also um fein gemahlene Ausgangsstoffe, die formbar und auftragbar sind, wenn sie mit Wasser versetzt wurden, und das zur Ausbesserung von Mauerwerken und zur Bindung feuerfester Steine oder Formstücke geeignet ist.

Bindemittel, die für feuerfeste Monolithe und Mörtel benutzt werden, sind zahlreich und bestehen aus: Sulfitlauge, Natriumsilikat, Melasse, Dextrin, Stärke, Gelantine, Calciumaluminat, Kitt, Epsomer-Salzen und einer beliebigen Anzahl von Phosphaten. Mit Ausnahme der Phosphat-Bindemittel verlieren die meisten feuerfesten Bindemittel ihre Festigkeit mit der Erwärmung schon unterhalb der Temperatur, bei der keramische Verbindungen ausgebildet werden. Phosphat-Bindemittel, auf der anderen Seite, entwickeln Bindungen beim Erwärmen, die bei erhöhten Temperaturen relativ fest bleiben und in geringem Ausmaß an der Bildung der keramischen Bindung teilhaben. Phosphat-Bindemittel bieten den zusätzlichen Vorteil, feuerfeste Auskleidungen zu schaffen, die einen bestimmten Widerstand gegenüber Benetzungen durch korrodierende Schlacken oder Metalle besitzen. Die Phosphate, die als Bindemittel für die feuerfesten Monolithe geeignet sind, umfassen die löslichen Phosphate, einschließlich der Natrium-Phosphatsalze, Natrium-Phosphat-Gläser, Ammoniumphosphate und Phosphorsäure.

Dichte feuerfeste Monolithe müssen nach ihrer Einbringung getrocknet werden. Die Erhöhung der Dichte und die Verringerung der Porosität ergeben, daß nur einige wenige Wege für den Austritt des Wasserdampfes aus dem Feuerfestmaterial oder für die Trocknung vorhanden sind.

Die US-PS 17 43 803 ist kennzeichnend für den Stand der Technik. Sie betrifft Zusätze, die plattenartig ausgebildet und parallel zueinander durch das Herstellungsverfahren, das später noch beschrieben werden soll, orientiert sind.

Demgemäß ist es die Aufgabe der Erfindung, monolithische Feuerfestmaterialien zu schaffen, die Kanäle für Wasserdampf besitzen, damit dieser entweichen kann.

Weiterhin sollen die Kanäle ein Kanalvolumen besitzen, das ein Freisetzen von Dampf mit hohem Druck erlaubt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Kennzeichen des Anspruchs 1.

Vorzugsweise Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen erläutert werden.

Die Fig. 1 und 2 stellen Mikrophotographien dar, die die Wirkung der Temperatur auf Zusätze gemäß der Erfindung, verglichen mit denen gemäß dem Stand der Technik, zeigen.

Die Fig. 3 bis 8 zeigen Raster-Elektronen-Mikrophotographien, die die Oberflächen von Gußstücken mit einem hohen Aluminiumoxyd-Gehalt zeigen, die verschiedene organische Zusätze enthalten, nachdem die Materialien wärmebehandelt wurden.

Nach der Erfindung werden feuerfeste Materialien geschaffen, die im wesentlichen aus nicht-basischen Feuerfestkomponenten bestehen, einem Bindemittel und zugesetztem Vinylchlorid-Acetatfasern.

Vorzugsweise überschreiten die Fasern nicht die Länge von 12,7 mm und besitzen einen Durchmesser ungefähr zwischen 1 und 15 · 10^-6 m.

Es sei hier noch erwähnt, daß sich in den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung alle Prozentangaben auf das Gewicht beziehen.

Die verschiedenen monolithischen feuerfesten Stampfmassen wurden zuerst durch Korngrößensortierung der Komponenten vorbereitet, so daß maximal 45% der Komponenten größer als 4,699 mm sind, 45 bis 55% eine Korngröße von 4,699 bis 1,651 mm, 1 bis 5% von 1,651 bis 0,589 mm und 1 bis 5% von 0,589 bis 0,208 mm besitzen. Ungefähr 35 bis 45% sind kleiner als 0,208 mm im Durchmesser. Nach dem Mischen der Stampfmassenbestandteile wird Wasser in die Stampfmasse eingemischt.

Blöcke mit den Abmessungen von 45,72×30,48×22,86 cm werden gegossen, wobei gemäß der Erfindung 4 verschiedene Arten von Fasern eingelagert werden. Die optimale Faserzugabe wurde auf der Basis der Misch- und Gießeigenschaften und der Ergebnisse der Dampfabspaltungsprobe bestimmt. Die Mischungen und Eigenschaften sind unten in Tabelle I gezeigt, wobei es sich bei den Fasern um ein Vinylchlorid - Vinylacetat-Copolymer handelt. Als Bindemittel wurde Calciumaluminatzement benutzt (30% Zement und 70% Feuerfestmaterial).

Wesentliche Einflüsse auf die physikalischen Eigenschaften hatten die Fasern nicht, aber Vinylchlorid- Acetat war die einzige Faser, die durchweg den Widerstand gegenüber der Dampfabspaltung verbesserte. Die Verwendung dieser Faser erwies sich als erfolgreich in einem Bereich zwischen 0,2 und 0,6%. Der optimale Fasergehalt betrug 0,3%, um einen breiten Fehlerbereich oberhalb der 0,2%-Ebene zu ermöglichen. Die Fasern brechen leicht auseinander und verteilen sich leicht während des Trocken-Mischens, entsprechend ihrer geringen Länge und ihres kleinen Durchmessers.

Die Verwendung der Keramik-Faser A hat nur eine geringe Verbesserung des Dampfabspaltungs-Widerstandes zur Folge, aber nicht in dem Ausmaß, wie das durch Vinylchlorid- Acetat bewirkt wird. Die erhaltene Probe war ein Roving und ungefähr 38,10 mm lang. Die Faser tendierte während ihrer Mischung zur Zusammenballung, und es war schwierig, sie gleichmäßig zu verteilen.

Die Polypropylen-Fasern scheinen den Widerstand gegenüber der Dampfabspaltung in einem Bereich von bis zu 0,3% nicht zu verbessern.

Die Keramik-Fasern B verbesserten in einem Bereich von 0,2% nicht den Widerstand gegenüber der Abspaltung durch Dampf.

Vinylchlorid-Acetat-Fasern weisen bei 40,56°C (105°F) eine Schrumpfung um 50% auf. Da diese Temperatur niedriger ist als der Siedepunkt des Wassers, hinterlassen die geschrumpften Fasern Kanäle, durch welche Wasserdampf entweichen kann. Da die Kanäle dem Durchmesser der Faser von ungefähr 15 · 10^-6 m entsprechen, durchdringen geschmolzene Metalle oder Schlacken nicht das Feuerfestmaterial. Die Verwendung von Stroh oder Papier oder von synthetischen organischen Polymerfasern hinterläßt größere Kanäle und erschwert den Fluß des Wasserdampfes. Die Fig. 1 und 2 zeigen den Einfluß steigender Temperaturen auf die Fasern. Die Vinylchlorid-Acetat-Fasern (obere Reihe) gemäß der Erfindung weisen bei 79,44°C (175°F) eine Schrumpfung auf. Bei steigender Temperatur schrumpfen sie weiterhin, bis sie bei 148,89°C (300°F) geschmolzen werden. Die Polypropylen-Fasern (untere Reihe) gemäß dem Stand der Technik werden bei Temperaturen bis zu 148,89°C nicht angegriffen. Sie zeigen erst Schrumpfungserscheinungen bei 162,78°C (325°F) und schmelzen schließlich bei 192,78°C (350°F).

Die Fig. 3 bis 8 sind Raster-Elektronen-Mikrophotographien, die die brüchigen Oberflächen von Gießmassen mit verschiedenen organsichen Zusätzen zeigen, nachdem die Gießmassen wärmebehandelt wurden.

Die Fig. 3 zeigt eine geschrumpfte Vinylchlorid-Acetat- Faser (A) und den nach einer Erwärmung auf 121,1°C (250°F) gebildeten Kanal. Die vom geschmolzenen Vinylchlorid-Acetat (A) nach der Erwärmung auf 148,89°C (300°F) hinterlassenen Kanäle sind in der Fig. 4 gezeigt.

Die Fig. 5 bis 8 zeigen Proben, die alle auf 148,89°C erwärmt wurden. Die Polypropylen-Fasern sind in Fig. 5 mit A bezeichnet. Die Fig. 6 zeigt einen Teil einer Schuppe A, die nach der Wärmebehandlung bestehen bleibt. Der Rest der Schuppe brach ab, als die Probe gebrochen wurde. Der gezackte Abdruck der ursprünglichen Schuppe ist noch sichtbar und mit B bezeichnet. Bemerkenswert ist die Größe der Lücke, die durch die Schuppe entstanden ist, da diese Photographie nur 20mal vergrößert wurde. Die Fig. 7 zeigt Holzfasern (A), die von zugegebenen Papier-Konfetti stammen. Diese Photographie zeigt nur ein Stück Konfetti. Nicht gezeigt ist, daß die Holzfasern nicht über die gesamte Probe verteilt sind, sondern nur an den Konfetti-Stellen konzentriert sind. Die Fig. 8 zeigt eine lamellare gurkenkernartige Ausbildung A in der Gießmasse. Die Vergrößerung beträgt wiederum nur 20mal, so daß die Lücke, die durch ein eventuelles Ausbrennen der Schuppe entsteht, groß ist. Proben, die dichte Roggengraskeime und Baumwollfasern enthalten, besitzen in ähnlicher Weise keine befriedigenden Eigenschaften.

Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen die Zusätze, die in der US-PS 17 43 803 offenbart sind. Die Zusätze in dieser Schrift sind alle plattenartig und parallel zueinander durch das Herstellungsverfahren orientiert. Bei Brennen resultieren daraus lange, flache Poren, die senkrecht zum Thermalgradienten in dem Material angeordnet sind. Dieses schafft eine gewisse Flexibilität in der Richtung des Thermalgradienten, die den Widerstand gegenüber thermischen Schocks verbessert. Da die Zusätze nicht senkrecht zu der Oberfläche orientiert sind, schaffen sie keine Bahnen für die Bewegung des Wassers zur Oberfläche beim Trocknen. Sogar wenn die Zusätze in der US-PS 17 43 803 zur Oberfläche oder zufällig orientiert sind, so würden die Poren, die sie beim Ausbrennen hinterlassen, so groß sein, daß das Feuerfestmaterial der Durchdringung von Metall und Schlacke unterworfen wäre.

Zusammenfassend stellen die Vinylchlorid-Acetat-Fasern eine Verbesserung des Standes der Technik dar. Die Schrumpfung von Vinylchlorid-Acetat bei Temperaturen unterhalb dem Siedepunkt des Wassers schafft deutliche Kanäle, die die Abgabe von Wasserdampf erlauben, bevor der Dampf sich sammelt. Die relativ niedrige Schmelztemperatur vergrößert das Kanalvolumen, welches Dampf bei hohem Druck bei Temperaturen abgeben kann, bei denen andere Zusätze noch unangegriffen sind. Ein Unterscheidungsmerkmal des Vinylchlorid-Acetats besteht darin, daß der Durchmesser der Poren, der durch die Schrumpfung und Schmelzung desselben entstanden ist, nur 15-10^-6 m beträgt, zu gering, als das geschmolzenes Metall und Schlacke eindringen kann.

Claims (4)

1. Monolithisches Feuerfestmaterial mit verbessertem Widerstand gegenüber einer Abspaltung durch Dampf, dadurch gekennzeichnet, daß es 0,2 bis 0,6 Gew.-% Vinylchlorid-Acetat-Fasern, ein Bindemittel und als Restbestandteil eine nicht basische feuerfeste Komponente enthält.

2. Monolithisches Feuerfestmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern eine Länge von 12,7 mm nicht überschreiten.

3. Monolithisches Feuerfestmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einen Durchmesser zwischen etwa 1 und 15 · 10^-6 m aufweisen.

4. Monolithisches Feuerfestmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 0,2 bis 0,3 Gew.-% Vinylchlorid-Acetat-Fasern enthält.